多級氣體放電管與氧化鋅壓敏電阻并聯(lián)配合的輝光弧光放電性能分析

李寶莉

（上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090）

多級氣體放電管與氧化鋅壓敏電阻并聯(lián)配合的輝光弧光放電性能分析

李寶莉

（上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090）

針對多級氣體放電管（GDT）與ZnO壓敏電阻的并聯(lián)配合使用的問題，根據(jù)多級GDT及ZnO壓敏電阻的工作原理，把ZnO壓敏電阻依次并聯(lián)多電級GDT不同級數(shù)進行測試時，并聯(lián)級數(shù)越多，越能有效拉低點火電壓，并具有擊穿后能分流的特性。利用氣體放電理論進行工頻電壓下的組合器件輝光、弧光放電試驗，在分析了輝光、弧光放電電壓、時延、電流與工頻電壓之間的關(guān)系后，得出并聯(lián)不同級數(shù)時，組合器件的靜態(tài)參數(shù)與輝光、弧光各參數(shù)的匹配效果對泄流影響：靜態(tài)參數(shù)中壓敏電壓與并聯(lián)的GDT管點火電壓相差越大，放電特性越容易從開關(guān)型SPD向限壓型SPD轉(zhuǎn)變。由實驗數(shù)據(jù)解釋輝光、弧光各參數(shù)與工頻電壓和靜態(tài)參數(shù)間關(guān)系，提出可用工頻電壓源下輝光、弧光測試ZnO壓敏電阻與多級GDT并聯(lián)使用性能對比方法，在實際應(yīng)用中對選擇復(fù)合型SPD有一定的參考價值。

輝光；弧光；工頻電壓；ZnO壓敏電阻；氣體放電管

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電氣和電子產(chǎn)品越來越多的被使用，由于直擊雷或雷電感應(yīng)對這些設(shè)備的危害很大，尤其是精密的電子設(shè)備對強大的雷電電磁脈沖很敏感，并且很容易受到損壞。因而在電子設(shè)備系統(tǒng)前端、供電系統(tǒng)上安裝浪涌保護器是減少雷擊損失的重要措施之一。浪涌保護器（SPD）分為開關(guān)型、限壓型、復(fù)合型3種，開關(guān)型SPD具有通流量大，無漏流，殘壓低的優(yōu)點，但缺點是響應(yīng)時間長，而限壓型SPD具有響應(yīng)時間短，通流量大的優(yōu)點，但缺點是殘壓高，有漏流[1-3]；因此，實際生活中常用復(fù)合型SPD來保護電氣電子設(shè)備。

目前，在實際應(yīng)用中，對于已有設(shè)計開關(guān)型SPD，內(nèi)部設(shè)計大多數(shù)采用氣體間隙、少部分用其他間隙，比如石墨間隙，但都有缺陷：沒法解決工頻續(xù)流問題。因此，一般用拉大間隙距離來減少續(xù)流，但同時也使得擊穿電壓變高；如今，一方面發(fā)展了羊角間隙，其原理是磁吹式滅弧，并且廣泛應(yīng)用于高壓輸電線路[4]。另一方面，采用在拉大氣體間隙距離的同時用一些元件來降低電壓保護水平。Scheibe[5]利用多級石墨間隙SPD在電容脈沖電流下的瞬時短路特性，提出石墨間隙逐級觸發(fā)方法來拉低擊穿難度。張小青[6]分析了Zn0壓敏電阻與GDT管并聯(lián)配合使用的性能特性。李祥超等[7]通過開路電壓波（1.2/50 μs）、8/20 μs和組合波（1.2/50 μs，8/20 μs）對多級氣體放電管和ZnO壓敏電阻并聯(lián)后進行沖擊試驗，得出并聯(lián)后，能加快GDT管放電速度的結(jié)論，提出組合器件的匹配方法。周中山等[8]利用輝光、弧光放電測試裝置得出開關(guān)型電涌保護器各參數(shù)的邏輯關(guān)系，提出輝光、弧光放電性能的試驗分析對開關(guān)電涌保護器設(shè)計與運用的參考意見。

雖然很多學(xué)者對SPD沖擊特性進行了研究，但都缺少了對限壓型與開關(guān)型SPD配合時的輝光、弧光性能試驗研究。因此，本文根據(jù)氣體放電理論和多級氣體放電管及ZnO壓敏電阻的工作原理，通過多級氣體放電管與ZnO壓敏電阻的并聯(lián)配合試驗，分析靜態(tài)參數(shù)與輝光、弧光各參數(shù)關(guān)系，比較壓敏電阻與多級GDT管的并聯(lián)位置不同時的配合效果。

1 輝光、弧光原理分析

1.1 正常輝光放電結(jié)構(gòu)與分布

當電壓到達擊穿電壓VS時，放電管點火，發(fā)生電子雪崩，電流迅速增大，由于外電路電阻的限流作用，放電穩(wěn)定在EF部分的正常輝光放電區(qū)，并且在有電場分布的管軸方向上，氣體放電管發(fā)光區(qū)域表現(xiàn)出明暗相間的光層分布，分別為陰極區(qū)、負輝區(qū)、法拉第暗區(qū)、正柱區(qū)和陽極區(qū)[9-11]。

輝光放電時，其放電正柱管壁處的電位:

式中：VR為放電管壁上電位；VO為放電軸上的電位；電子溫度Te是不變量；Z是在單位體積內(nèi)一個電子與原子碰撞每秒鐘產(chǎn)生電離的數(shù)目；R為放電管的半徑，以軸線為對稱軸，取單位長度的一小段圓柱筒，該小圓筒內(nèi)半徑即為r；Da為雙極性擴散系數(shù)。而放電正柱中徑向電位的分布為

1.2 弧光放電結(jié)構(gòu)與分布

在正常輝光放電階段，當電離程度增強后，減小了氣體間隙電阻，開始只是陰極表面發(fā)射電子區(qū)域增加，但是極間電壓保持不變；若在增加電流，電壓在峰值后急速下跌，此區(qū)被稱為反常輝光，并維持低電壓，大電流的放電，這就是弧光放電[12]。

在弧光放電時，放電管可以明顯地劃分為3個區(qū)域：陰極區(qū)（陰極，陰極斑點，陰極鞘層），正柱區(qū)，陽極區(qū)（陽極，陽極斑點，陽極鞘層）。

弧光放電時，電場強度：

式中：VC為陰極位降；ji=nieVi；je=neeVe；在陰極x=0處，V=0，則那里的電場強度E0服從下式：

2 多級氣體放電管與ZnO壓敏電阻并聯(lián)實驗分析

2.1 實驗電路模型

圖1為多級GDT管并聯(lián)ZnO壓敏電阻時的電路模型圖，圖中壓敏電阻并在5級串聯(lián)GDT管的一級處；電源是工頻電壓源；電流表是測總電流，其在實物圖以羅格夫斯基原理的電流探頭來代替，其為10倍衰減；電壓表測量組合器件的總電壓，其實物圖是用1 000倍衰減的電壓探頭來測量。

圖1 實驗電路模型Fig.1 Experimental circuit model

2.2 組合器件靜態(tài)參數(shù)

圖2反映ZnO壓敏電阻并聯(lián)在5級串聯(lián)氣體放電管的不同級數(shù)時，分別在并聯(lián)與不并聯(lián)壓敏電阻時，以型號為K-31623靜態(tài)參數(shù)測試儀，測出的的點火電壓對比圖。由此圖可知，并聯(lián)壓敏電阻后的點火電壓整體低于不并聯(lián)壓敏電阻后的點火電壓，并且在并聯(lián)三、四級時尤為明顯。這是因為多級氣體放電管上并聯(lián)ZnO壓敏電阻能拉低GDT管的點火電壓，其解釋為ZnO壓敏電阻與GDT管相互并聯(lián)時接受工頻電壓的沖擊時，其兩器件基本上是同時動作，兩者并聯(lián)后的總電壓值取決于具有電壓降低的器件，由于GDT管的陰極位降區(qū)電壓較高，而ZnO壓敏電阻兩端的U1mA較低，因而并聯(lián)后的動作電壓取決于壓敏電阻兩端的電壓[13-15]。這點在并聯(lián)三級、四級時具體體現(xiàn)出來了。

靜態(tài)參數(shù)關(guān)系圖見圖2。由圖2可看出，在并聯(lián)處放電管尚未導(dǎo)通之前，壓敏電阻開始動作，對工頻電壓進行箝位并泄放電流，而當GDT放電導(dǎo)通后，會與壓敏電阻共同分流，減小了對壓敏電阻的通流壓力，從圖中看出，并一級時，氣體放電管的電火電壓為198V，而ZnO壓敏電阻的壓敏電壓為631V，由此可以看出，一級時比起與其并聯(lián)的壓敏電阻，一級的GDT管更容易導(dǎo)通，因此此時ZnO壓敏電阻影響很小，還有可能壓敏電阻可能一直沒能完全導(dǎo)通。而二級時，氣體放電管的點火電壓為683.6 V，而壓敏電阻的壓敏電壓為631.9 V，并且壓敏電阻的壓敏電壓小，由于兩者點火電壓差距很小，為52 V，此時，導(dǎo)通情況是壓敏電阻先導(dǎo)通，導(dǎo)通以后由于壓敏電阻兩端的大電流放電電壓（壓敏電壓）很高，即631 V，因此能促使氣體放電管動作，來泄放大電流。因此并一、二級時，并聯(lián)處主要是通過氣體放電管來泄放大電流。

圖2 靜態(tài)參數(shù)關(guān)系圖Fig.2 Static parameter diagram

而并三級、四級以后，其ZnO壓敏電阻的壓敏特性得以體現(xiàn)出來，并聯(lián)壓敏電阻后，其點火電壓下降很大，并三級差值為563 V，并四級時差值為694 V。并且級數(shù)上升時，并聯(lián)后的點火電壓沒有變化，維持在616.5 V，說明此時的點火電壓與壓敏電阻密切相關(guān)，而與間隙距離的增大對點火電壓影響幾乎為零。其原因可能是壓敏電阻的箝壓性質(zhì)，說明此時由于與壓敏電阻并聯(lián)的氣體放電管的級數(shù)上升，即間隙距離增大，由此導(dǎo)致與壓敏電阻并聯(lián)的氣體放電管更難導(dǎo)通，于是主要并聯(lián)處是通過壓敏電阻來泄放大電流。

2.3 輝光、弧光測試裝置測試分析

2.3.1 工頻電壓與電流峰值

為了呈現(xiàn)出并聯(lián)級數(shù)不同時，在弧光放電階段，泄放大電流時的特性，因此把電流峰值與工頻電壓的關(guān)系畫在圖3中，來理解多級GDT管與壓敏電阻并聯(lián)配合使用時的放電性能優(yōu)劣。峰值電流出現(xiàn)在弧光放電階段，這是因為氣體放電管的導(dǎo)通后，主要經(jīng)過輝光放電和弧光放電兩個階段。在輝光放電階段，在極間電場下電子和正離子分別向陽極、陰極漂移，并積聚在GDT兩極附近，形成空間電荷區(qū)，但正離子比電子質(zhì)量大很多，則電子的漂移速度遠大于正離子，因而正電荷區(qū)比電子區(qū)密度大得多，由此整個GDT電壓集中在陰極附近的狹窄區(qū)域內(nèi)；并且特征為輝光電流?。◣缀涟玻?，輝光階段溫度低，GDT管內(nèi)有特別的亮區(qū)和暗區(qū)；而在弧光放電階段，是氣體高溫下放電，電壓不高，電流較大，因而電流峰值出現(xiàn)在弧光放電期間。就圖3來說，上升關(guān)系呈現(xiàn)兩個梯隊，并且由圖可看出，第一梯隊體現(xiàn)出氣體放電管工作特性的三組（不并聯(lián)、并一、二級）和第二梯隊中體現(xiàn)ZnO壓敏電阻工作特性的兩組（并三、并四級）近乎平行，其整體的平均上升斜率近似為1.3；這兩個梯度間的平均相差值為0.3 A左右。

圖3 工頻電壓與電流峰值Fig.3 Frequency voltage and current peak

2.3.2 工頻電壓與電壓峰值

圖4反映各級并聯(lián)時，峰值電壓，也就是組合器件內(nèi)部電子雪崩瞬間整個器件的大電流放電電壓與工頻電壓的關(guān)系，此關(guān)系反映了多級GDT管與ZnO壓敏電阻的并聯(lián)配合使用時，并聯(lián)級數(shù)不同，其這一型號（631.95V）的ZnO壓敏電阻對不同點火電壓的GDT的箝位能力，它與ZnO壓敏電阻的壓敏電壓直接相關(guān)。

圖4 工頻電壓與大電流放電電壓（峰值電壓）關(guān)系Fig.4 Power frequency voltage and high current discharge voltage（peak voltage）relationship

圖4中一方面，隨著工頻電壓的上升，其峰值電壓隨著并聯(lián)級數(shù)的增多（在氣體放電管工作特性內(nèi)）迅速降低，并且落差梯度也在上升，在不并聯(lián)時，降低的落差值在0.38 kV左右，在1.32～1.7kV之間，并一級時，降低的落差值在0.58 kV左右，在1～1.58 kV之間，并二級時，降低的落差值在0.6 kV左右，在0.6～1.2kV，其斜率也分別為-0.27、-0.42、-0.42。說明不并聯(lián)與并聯(lián)后，在氣體放電管的工作特性內(nèi)，其大電流放電電壓的限制程度不同，不并時，因為沒有壓敏電阻的箝壓能力，隨著工頻電壓上升，其大電流放電電壓的減小要比并聯(lián)壓敏電阻時小，由此，可看出，其壓敏電阻的箝壓能力在并聯(lián)后顯示出來了，并且其并一，并二級后的斜率近似相同，可以知道，壓敏電阻的箝壓效果幾乎相同。

另一方面，隨著并聯(lián)級數(shù)的上升，導(dǎo)通深度加強，其兩端大電流放電電壓呈下降趨勢，無并聯(lián)時，即有5級氣體放電管上直接施加工頻電壓時，其由于間隙距離長，因此其導(dǎo)通瞬間電壓很高，因此其峰值電壓最高，而并一、二級時，由于ZnO壓敏電阻有拉低氣體放電管動作電壓的能力，因此其大電流放電電壓在下降。很明顯，并二級時，整體的大電流放電電壓是所有并聯(lián)中最低的，這可能是因為二級的氣體放電管的點火電壓為683 V，在此二級處并聯(lián)的此型號的ZnO壓敏電阻的壓敏電壓是631 V，而在其他處時（并一級、并三級、并四級），兩者電壓差值都在400 V以上，因此氣體放電管的點火電壓與并聯(lián)的壓敏電阻的壓敏電壓差距不大時，則說明箝壓能力最強。

2.3.3 工頻電壓與輝光放電時延

圖5反映的是工頻電壓與并聯(lián)級數(shù)不同時，輝光放電時延的變化關(guān)系，輝光放電時延是一個重要的參數(shù)，它能反應(yīng)出組合器件在不同工頻電壓下導(dǎo)通后，從小電流轉(zhuǎn)化為大電流放電的快慢程度。輝光放電時延主要與氣體間隙的距離、氣體種類、氣壓大小、電場強度的大小有關(guān)，在這里假設(shè)氣壓、氣體種類都不變。因此只與輝光放電時延、氣體間隙距離和電場強度有關(guān)。

圖5 工頻電壓與輝光放電時延關(guān)系圖Fig.5 Power frequency voltage and glow discharge delay diagram

在圖5中，隨著工頻電壓的上升，輝光放電時延呈下降趨勢，這是因為，組合器件導(dǎo)通后，隨著工頻電壓增大，兩極間電場強度增大，則促進了電離，因此氣體放電管就越容易導(dǎo)通；而輝光放電是指不完全導(dǎo)通，也就是氣體只有微弱的電離，也就是輝光放電電流較小，因此其決定于施加的工頻電壓的大小，兩級間電壓越大，則電場越強，則電子越容易加速運動，碰撞更多中性原子或分子，獲得更多地正離子和電子，GDT管內(nèi)的電離加強，則導(dǎo)通時間就變短了。因此也能解釋其輝光放電時間呈下降趨勢。

對于不并聯(lián)的5級氣體放電管來說，在相同的工頻電壓下，輝光放電時延是最長的，原因是由于多級GDT串聯(lián)，等效可以看成是放電間隙距離最大，因此要讓這個長間隙完成大電流放電，在相同的電壓下需要更長的時間，也就意味著要更長的輝光放電時間。

在分析了工頻電壓與峰值電壓、峰值電流、輝光放電時延后，從3個圖中可看出，隨著工頻電壓增大，并二級時的導(dǎo)通效果是最好的。有3個方面的解釋：1）從峰值電壓分析，其大電流放電電壓是所有情況中最低的，也就意味著，其導(dǎo)通時的大電流放電電壓最低，2）從峰值電流分析，隨著工頻電壓的抬升，其峰值電流在第一梯隊，也就是展現(xiàn)氣體放電管導(dǎo)通特性的這一梯隊，也就意味著其泄放大電流能力很強。3）從輝光放電時延分析，因為輝光放電時延展現(xiàn)的是其氣體放電管實現(xiàn)大電流泄放快慢的物理量，若輝光時延越短，則進入弧光階段越快，由圖5得到并二級時其輝光放電時延是最短的。綜上所述，這一型號（壓敏電壓631.95 V）的氧化鋅壓敏電阻并此種多級氣體放電管的二級（點火電壓680.3 V）上其導(dǎo)通能力是最優(yōu)的。說明當ZnO壓敏電阻的壓敏電壓與GDT的點火電壓相差不大時，配合效果最好。

2.3.4 工頻電壓與弧光放電時延

圖6分析了隨著工頻電壓的抬升，弧光放電時延呈上升趨勢，但其弧光放電時延都是剛開始增加很快（在平均工頻電壓抬升值為0.27 kV時，平均值從5.7 ms上升到7.9 ms，同時平均斜率近似為8.1 ms/kV左右），后面開始增加速度變緩（在平均工頻電壓抬升值為1.1 kV時，平均值是從7.9 ms到9 ms，同時平均斜率近似為1 ms/kV），由這些數(shù)據(jù)可以得出弧光放電時間，在施加電壓較小時，弧光時間較短，并且在工頻電壓小且上升幅度很小時，其弧光放電時間有很大的抬升空間，而當工頻電壓施加到一定值以后，工頻電壓再抬升時，其弧光放電時間抬升很少。原因可能是在工頻電壓小時，電場強度小，導(dǎo)致氣體放電管內(nèi)電離小，所以電流小，放電整個周期中，大部分維持在輝光放電階段，則相比之下，弧光放電時間就短了。而此時當電壓有微小的增加時，其氣體放電管兩極間所需的電場強度增強很明顯，由此電子加速很快，碰撞中性原子和分子得到了更多正離子和電子；因此輝光時間瞬間縮短，由此弧光放電時間也因此增加。而當電壓上升到0.27 kV左右，再繼續(xù)增加電壓，雖然能繼續(xù)縮短完全導(dǎo)通時間，但由于氣體分子或原子電離后的離子數(shù)量不再隨著電壓的加大而增加，因此弧光放電時間增加變化不大。

圖6 工頻電壓與弧光放電時延圖Fig.6 Power frequency voltage and arc discharge delay map

3 結(jié)論

針對實際應(yīng)用中多級GDT管與ZnO壓敏電阻的并聯(lián)性能匹配問題，通過對多級氣體放電管與氧化鋅壓敏電阻的不同配合方式進行工頻電壓源下輝光、弧光放電試驗，找出多級氣體放電管與ZnO壓敏電阻的配合方法，得出以下結(jié)論：

1）當ZnO壓敏電阻與GDT管并聯(lián)時，ZnO壓敏電阻的壓敏電壓與GDT管相近時，其峰值電流最大，大電流放電電壓（峰值電壓）最低，弧光放電時間最長，輝光放電電流也大，因此泄流效果較好，對選取SPD配合選擇有一定的參考價值。

2）GDT管并聯(lián)ZnO壓敏電阻時，當壓敏電壓不高，且在并聯(lián)級數(shù)低時，體現(xiàn)氣體放電管工作特性；并聯(lián)級數(shù)高時（壓敏電阻的U1mA與并聯(lián)處的氣體放電管的點火電壓相差很大），體現(xiàn)壓敏特性，而此時，對壓敏電阻的老化、劣化是不利的。并且，前者的峰值電流要比后者要大。

3）輝光放電電流隨著工頻電壓的上升而上升，它與輝光放電時延有良好的對應(yīng)關(guān)系，說明它與整個器件點火電壓、并聯(lián)的氣體放電管的點火電壓有關(guān)，等效的間隙距離（點火電壓）越大，則輝光放電電流就越高。

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Performance Analysis of Glow and Arc Discharge for Multistage Gas Discharge Tube in Parallel with Zinc Oxide Varistor

LI Baoli
（School of Electrical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China）

For multistage gas discharge tube（GDT）and ZnO varistor μsed parallel problems，ac?cording to the working principle of the multi-level GDT and ZnO varistor，when the ZnO varistor in paral?lel with a series of GDT，the more parallel series，the more can effectively lower ignition voltage，and the characteristics of the shunt after breakdown.Using the theory of gas discharge device under power fre?quency voltage of glow，arc discharge test，After analyzing the relationship between glow，arc discharge voltage，time delay，current and power frequency voltage，it is concluded that the discharge influence of the static parameters of different series parallel combination device and the parameters of glow，arc matching effect;the greater between Static parameters of the pressure sensitive voltage difference and parallel GDT tube ignition voltage，the discharge characteristics of the easier from the switch type SPD to type pressure limiting type SPD.From experimental data the relationship between glow，arc parameters and the power frequency voltage and static parameters are explained，the glow，arc tests under 50 Hz voltage source，ZnO varistor in parallel with multistage GDT performance comparison method are put for?ward，in the practical application of the choice of the compound type SPD has a certain reference value.

glow；arc；the gas discharge tube；zno varistor；power frequency voltag

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.025

2017-05-19

李寶莉（1991—），女，在讀碩士，研究方向：電力系統(tǒng)可靠性。